KR20050096105A

KR20050096105A - 풍력 발전장치

Info

Publication number: KR20050096105A
Application number: KR1020057012033A
Authority: KR
Inventors: 요시 바바
Original assignee: 유겐가이샤 바바 기켄
Priority date: 2005-06-24
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2005-10-05

Abstract

발전효과의 형상을 더욱 도모할 수 있는 풍력발전장치를 제공한다. 본 발명의 풍력발전장치는 측벽 단면형상이 대략 익형으로 된 대략 원통형상의 덕트(1)와, 덕트(1)의 축 주위로 회전 가능한 날개차(2)와, 날개차(2)와 함께 유선형의 펜슬체(3)를 구성하고, 날개차(2)의 회전을 이용하는 발전기(4)를 수용하는 나셀(5)을 구비하고 있다. 덕트(1)의 측벽 단면형상이 덕트(1) 후방에서 감압영역이 발생될 수 있는 동시에 덕트(1) 후방에서의 와류의 발생을 억제할 수 있는 익형으로 되어 있다. 또, 펜슬체(3)가 그 선단부가 덕트(1) 내부에 있고, 그 후단부가 덕트(1) 후방에 발생하는 감압영역의 선단부에 근접하도록 덕트(1) 후단부로부터 도출되어 설치되어 있다. 또한 날개차(2)의 날개(21)가 덕트(1)내부에 있어서 최대 풍속 영역(13)에 설치되어 있다.

Description

풍력 발전장치{WIND POWER GENERATION DEVICE}

본 발명은 측벽 단면형상이 대략 익형으로 된 대략 원통 형상의 덕트와, 바깥쪽으로 돌출하는 복수의 날개를 가지고 덕트 축 주위로 회전 가능한 날개차와, 날개차와 함께 유선형의 펜슬(pencil)체를 구성하고, 날개차의 회전력을 이용하는 발전기를 수용하는 나셀(nacelle)을 구비한 풍력발전장치에 관한 것이다.

날개차를 효율적으로 회전시켜서 발전 효율을 향상시키는 관점에서, 종래, 상기 풍력발전장치와 유사한 풍력발전장치가 몇개 제안되고 있다(일본국 실개소56-74871호 등 참조).

그러나, 본원 발명자는 풍력발전장치의 근방에 있어서의 기류의 연구에 의해 발전 효율에 개선의 여지가 있는 것을 알아내었다.

도 1은 본 실시형태의 풍력발전장치의 측단면도이며,

도 2~도 4는 본 실시형태의 풍력발전장치의 기능 설명도이다.

그래서, 본 발명은 발전 효율의 향상을 더욱 도모할 수 있는 풍력발전장치를 제공하는 것을 해결 과제로 한다.

(발명의 개시)

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 풍력발전장치는 덕트의 측벽 단면형상이 덕트 후방에서 감압영역이 발생될 수 있는 동시에 덕트 후방에서의 와류의 발생을 억제할 수 있는 익형으로 되고, 펜슬체가 그 선단부가 덕트 내부에 있고 그 후단부가 덕트 후방에 발생하는 감압영역의 선단부에 근접하도록 덕트 후단부로부터 돌출해서 설치되고, 날개차의 날개가 덕트 내부에 있어서 최대 풍속 영역에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 덕트의 전방에서 후방으로 향하는 바람이 생겼을 경우 덕트 후방에서 와류의 발생을 억제하면서 「감압영역」을 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 덕트 전방에서 덕트 내부로의 바람의 흐름이 덕트 후방의 와류에 의해 방해되는 사태를 해소하면서 감압영역의 바람의 끌어 넣기에 의한 덕트 내부의 풍속증대를 도모할 수 있다.

한편, 본원 발명자가 얻은 지견에 의하면 감압영역의 선단부가 끝이 가늘고 불안정해서 덕트의 지름방향으로 휘청거리기 쉽고, 근방의 바람의 방향 등의 변화에 의해 크게 휘청거리면 감압영역이 전체적으로 소멸해 버린다. 이래서는 덕트 내부의 풍속증대, 나아가서는 발전 효율의 향상을 도모할 수 없다.

그런데, 본 발명과 같이 펜슬체의 후단부가 감압영역의 선단부에 근접하도록 덕트 후방으로부터 돌출됨으로써 감압영역의 선단부가 펜슬체의 후단부로 끌어 당겨져 휘청거림이 억제된다. 이에 따라, 덕트 전방에서 후방을 향해서 바람이 불고 있는 동안, 감압영역의 선단부가 휘청거려서 감압영역이 전체적으로 소멸하는 사태를 억제할 수 있다. 그리고, 덕트 후방의 감압영역을 정상적으로 유지하고 덕트 내부의 풍속의 증대를 확보할 수 있다.

또, 날개차의 날개가 덕트 내부의 최대 풍속 영역에 설치됨으로써, 날개차를 최대한으로 회전시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 풍력발전장치에 의하면 ①덕트 후방에서의 감압영역의 발생에 의한 덕트 내부의 풍속증대, ②감압영역의 선단부의 휘청거림 억제에 의한 감압영역의 정상유지, ③덕트 내부의 최대 풍속 영역에서의 날개차의 회전을 통해, 발전 효율의 더한 향상을 도모할 수 있다.

또, 본 발명의 풍력발전장치는 덕트의 측벽 단면의 익형에 있어서의 익현(翼弦)이 덕트 축에 대하여 소정각도만큼 기울어지고, 이 소정각도에 따라 변화되는 감압영역의 선단부의 위치에 맞춰 펜슬체의 후단부의 덕트 후방으로부터의 돌출길이가 조절되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다음과 같은 본원 발명자가 얻은 지견에 근거하고 있다.

즉, 덕트의 측벽 단면의 익형에 있어서의 익현이 덕트 축에 대하여 기울어짐으로써 덕트 후방의 감압영역의 감압도가 변동한다. 따라서, 감압영역의 감압도가 최대가 되도록 해당 경사가 조절됨으로써, 덕트 전방에서 덕트 내부로 흘러 들어 간 바람이 덕트 후방의 감압영역에 의해 더욱 강하게 끌어 넣어져, 덕트 내부의 풍속을 더욱 증속시킬 수 있다.

또, 해당 경사가 커질수록 덕트 후방에 발생하는 감압영역의 선단부의 위치가 전방으로 벗어난다. 따라서, 해당 경사에 따라 펜슬체의 후단부가 감압영역의 선단부에 이르도록 덕트로부터의 돌출길이가 조절됨으로써 감압영역의 선단부의 휘청거림 억제를 도모할 수 있다.

따라서, 본 발명의 풍력발전장치에 의하면 상기 ①~③에 더해, ④덕트 후방에서의 감압영역의 감압도의 최대화에 의한 덕트 내부의 바람의 최속화를 통해, 발전 효율의 최대화를 도모할 수 있다.

또한 본 발명의 풍력발전장치는 상기 소정각도가 2°~12°의 범위내로 되고, 펜슬체의 덕트 후방으로부터의 돌출길이가 덕트 길이의 0.1~0.4배의 범위내로 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

여기에서 「소정각도」는 해당 익현의 날개 전연이 날개 후연보다도 덕트 축으로부터 이반하는 듯한 경사각도를 「정」으로 정의한다.

또, 본 발명의 풍력발전장치는 날개차의 날개가 덕트의 최소 내경부분을 기준으로 해서 전방에 덕트 길이의 0.07배, 또한, 후방에 덕트 길이의 0.18배의 범위내로 설치되는 것을 특징으로 한다.

(발명을 실시하기 위한 최선의 형태)

본 발명의 풍력발전장치의 실시형태에 대해서 도면을 이용하여 설명한다.

도 1에 도시한 풍력발전장치는 대략 원통 형상의 덕트(1)와, 바깥쪽으로 돌출하는 복수의 날개(21)를 가지고 덕트 축(x) 주위로 회전 가능한 날개차(2)와, 날개차(2)와 함께 유선형의 펜슬체(3)를 구성하고, 회전축(22)을 통해 전달되는 날개차(2)의 회전력을 이용하는 발전기(4)를 수용하는 나셀(5)을 구비하고 있다. 나셀(5)은 덕트(1)의 내벽으로부터 돌출하는 기둥체(6)에 의해 덕트(1)에 대하여 고정되어 있다. 발전기(4)에 의한 발전 에너지는 기둥체(6) 및 덕트(1)를 관통하는 리드(42)를 통해 외부로 공급된다.

덕트(1)의 측벽 단면형상은 익형으로 되어 있다. 이것은, 후술과 같이 덕트(1) 후방에서 감압영역이 발생될 수 있는 동시에 덕트(1) 후방에서의 와류의 발생을 억제하기 위해서이다. 덕트(1)의 측벽 단면형상으로서는 공지의 익형인 NACA653-618(9-0.5), NACA633-618, FA66-S-196V1 등이 채용된다.

또, 덕트(1)의 측벽 단면의 익형에 있어서의 익현(11)이 덕트 축(12)에 대하여 소정각도(θ)만큼 기울어져 있다. 소정각도(θ)는 덕트(1)의 후단 지름에 대한 선단 지름의 비가 증대하는 방향을 정으로서 정의한다.

펜슬체(3)는 그 선단부에 해당하는 날개차(2)의 선단부가 덕트(1) 내부에 있고, 후단부에 해당하는 나셀(5)의 후단부가 덕트(1)의 후단으로부터 돌출하도록 설치되어 있다. 펜슬체(3)의 후단부의 덕트(1)로부터의 돌출길이(L₂)는 덕트길이(L₁)의 c(>0)배로 설정되어 있다. 계수(c)는 소정각도(θ)를 변수로 하여 c(2°)=0.4, c(12°)=0.1이라는 조건을 충족시키는 단조 감소 함수(c(θ))로서 표시된다. 이것은 후술과 같이 펜슬체(3)의 후단부를 덕트(1) 후방에 발생하는 감압영역의 선단부로 근접시키기 위해서이다.

날개차(2)의 날개(21)는 덕트(1) 내부에 있어서 최대 풍속 영역(13), 즉 덕트(1)의 최소 내경 부분(14)을 기준으로 하여, 전방에 덕트길이(L₁)의 0.07배, 또한, 후방에 덕트길이(L₁)의 0.18배의 범위로 설치되어 있다.

상기 구성의 풍력발전장치의 기능에 대해서 도 2~도 4를 이용하여 설명한다.

본원 발명자는 덕트(1) 전방에서 후방을 향하여 바람이 발생했을 때, 덕트(1)의 근방에 있어서의 바람의 흐름 및 풍속을 시뮬레이션에 의해 검토하였다.

이 시뮬레이션은 K．Kuwahara의 논문 "Unsteady Flow Simulation and Its Visualization"(미국 항공·항우학회 NACA-6405)에 기재되어 있는 방법에 따라 행하여졌다. 이 방법에 의하면 우선, 공간에 가상의 격자계가 구성되고, 그 각각의 격자점에 있어서의 나비어 스톡스방정식(연속체의 운동량 보존법칙을 표시하는 방정식)이 세워진다. 게다가, 1의 격자점에 있어서의 나비어 스톡스 방정식의 공간 편미분 항에 그 근방에 있는 다른 격자점에 있어서의 유체의 영향이 들어간 후에 시뮬레이션용의 편미분 방정식이 세워진다. 그리고, 이 편미분 방정식이 풀어짐으로써 각각의 격자점에 있어서의 풍속이 구해진다.

또, 이 시뮬레이션에 임하여 소정각도(θ)를 8.7°, 덕트길이(L₁)를 5,000[㎜], 펜슬체(3)의 후단 돌출길이(L₂)를 1,000[㎜](=0.20L₁), 덕트(1)의 최소 내경을 1,800[㎜], 선단 지름을 3,166[㎜]로 하였다.

이 시뮬레이션 결과로부터 다음의 것이 지견되었다. 즉, 이 풍력발전장치에 의하면 덕트(1) 전방에서 후방을 향하는 바람이 발생했을 경우 도 2에 사선으로 도시한 바와 같이 감압영역(50)을 발생시킬 수 있다. 또, 도 3에 실선으로 나타나는 바람의 흐름을 보면 덕트(1) 후방에서 와류의 발생이 억제되고 있다. 따라서, 덕트(1) 전방에서 덕트(1)내로의 바람의 흐름이 덕트(1) 후방의 와류에 의해 방해되는 사태를 해소하면서, 감압영역(50)의 바람의 끌어 넣기에 의한 덕트(1) 내부의 풍속 증대를 도모할 수 있다.

도 2에 덕트(1) 전방에 있어서의 풍속을 1.0으로 했을 경우의 증속도와 함께 덕트(1)안의 등풍속선을 도시한다. 도 2에서, 덕트(1)의 최대 풍속 영역(13)에 있어서의 증가 속도가 2.2인 것, 즉 해당 영역(13)에 있어서의 풍속이 선단부의 풍속의 2.2배가 되는 것을 알 수 있다. 풍력에너지는 풍속(v), 유체밀도(ρ), 덕트(1)의 단면적(S)으로 하여 ρSv³/2로 표시되는데, 본 실시형태에서는 덕트(1)의 개구 단면적은 최소 내경 위치의 단면적의 약 3.1배이므로, 덕트(1)의 최대 풍속 영역(13)에 있어서의 풍력에너지는 덕트(1) 전방에 있어서의 풍력에너지의 2.2³/3.1~3.43배로 증폭될 수 있다.

또, 도 2에 도시한 바와 같이 펜슬체(3)의 후단부가 덕트(1)후방으로부터 돌출되어, 감압영역(50)의 선단부(51)에 이르고 있다. 이에 따라, 감압영역(50)의 선단부(51)가 펜슬체(3)의 후단부로 끌어 당겨져 안정되고, 그 휘청거림이 억제된다. 이에 따라, 덕트(1) 전방에서 후방을 향해 바람이 불고 있는 동안, 감압영역(50)의 선단부(51)가 휘청거려서 감압영역(50)이 전체적으로 소멸하는 사태를 억제할 수 있다. 그리고, 덕트(1) 후방의 감압영역(50)을 정상적으로 유지하고, 덕트(1) 내부의 풍속의 증대를 확보할 수 있다.

또한 날개차(2)의 날개(21)가 덕트(1)내부의 최대 풍속 영역(13)에 설치됨으로써 날개차(2)를 최대한으로 회전시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 풍력발전장치에 의하면 ①덕트(1) 후방에서의 감압영역(50)의 발생에 의한 덕트(1) 내부의 풍속증대, ②감압영역(50)의 선단부(51)의 휘청거림 억제에 의한 감압영역(50)의 정상유지, ③덕트(1) 내부의 최대 풍속 영역(13)에서의 날개차(2)의 회전을 통해 발전 효율의 향상을 더욱 도모할 수 있다.

또, 도 4에 소정각도(θ)를 변화시키고, 이것에 따라 펜슬체(3)의 후단돌출길이(L₂)(=c(θ)·L₁)를 변화시켰을 때의 덕트(1)의 최대 풍속 영역(13)에 있어서의 증가속도의 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 4로부터, 소정각도(θ)가 2°이상 12°이하로 설정되었을 경우, 덕트(1)안에서의 바람의 증가속도를 최대(=2.2)로 할 수 있다. 즉, 소정각도(θ)가 2°이상 12°이하로 설정되었을 경우 덕트(1) 후방의 감압영역(50)의 감압도가 최대가 되고, 덕트(1) 전방에서 덕트(1)내부로 흘러 들어 간 바람이 덕트(1)후방의 감압영역(50)에 의해 더욱 강하게 끌어 넣어져, 덕트(1) 내부의 풍속을 더욱 증속시킬 수 있다.

따라서, 소정각도(θ)를 2°이상 12°이하로 설정하고, 이것에 따라 펜슬체(3)의 후단돌출길이(L₂)를 조절함으로써, 상기 ①~③에 더해, ④덕트 후방에서의 감압영역의 감압도의 최대화에 의한 덕트 내부의 바람의 최속화를 통해 발전 효율의 최대화를 도모할 수 있다.

Claims

대략 원통형상의 덕트와,

바깥쪽으로 돌출하는 복수의 날개를 가지고 덕트 축 주위에서 회전 가능한 날개차와,

날개차와 함께 유선형의 펜슬체를 구성하고, 날개차의 회전력을 이용하는 발전기를 수용하는 나셀을 구비한 풍력발전장치로서,

덕트의 측벽 단면형상이 덕트 후방에서 감압영역이 발생될 수 있는 동시에 덕트 후방에서의 와류의 발생을 억제할 수 있는 익형으로 되고,

펜슬체가 그 선단부가 덕트 내부에 있고, 그 후단부가 덕트 후방에서 발생하는 감압영역의 선단부에 근접하도록 덕트 후단부로부터 돌출해서 설치되고, 날개차의 날개가 덕트 내부에 있어서 최대 풍속 영역에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
제 1 항에 있어서, 덕트의 측벽단면의 익형에 있어서의 익현이 덕트 축에 대하여 소정각도만큼 기울어지고, 상기 소정각도에 따라 변화되는 감압영역의 선단부의 위치에 맞춰 펜슬체의 후단부의 덕트 후방으로부터의 돌출길이가 조절되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
제 2 항에 있어서, 상기 소정각도가 2°~12°의 범위내로 되고, 펜슬체의 덕트 후방으로부터의 돌출길이가 덕트 길이의 0.1~0.4배의 범위내로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 날개차의 날개가 덕트의 최소 내경 부분을 기준으로 하여, 전방에 덕트 길이의 0.07배, 또한, 후방에 덕트 길이의 0.18배의 범위내로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.